네 가지 일반적인 변조기에 대한 개요

네 가지 일반적인 변조기에 대한 개요

본 논문에서는 광섬유 레이저 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 네 가지 변조 방식(나노초 또는 서브나노초 시간 영역에서 레이저 진폭을 변경하는 방식)을 소개합니다. 이러한 방식에는 AOM(음향광학 변조), EOM(전기광학 변조), SOM/SOA(반도체 광 증폭, 즉 반도체 변조라고도 함)직접 레이저 변조그중에는 AOM도 있습니다.EOMSOM은 외부 변조 또는 간접 변조에 속합니다.

1. 음향광학 변조기(AOM)

음향광학 변조는 음향광학 효과를 이용하여 광 캐리어에 정보를 담는 물리적 과정입니다. 변조 시, 먼저 전기 신호(진폭 변조)가 전기음향 변환기에 인가되어 초음파로 변환됩니다. 이 빛 파동이 음향광학 매질을 통과할 때, 광 캐리어는 음향광학 작용에 의해 변조되어 정보를 담고 있는 강도 변조파가 됩니다.

2. 전기광학 변조기(EOM)

전기광학 변조기는 리튬 니오베이트 결정(LiNbO₃), 갈륨 비소 결정(GaAs), 리튬 탄탈레이트 결정(LiTaO₃)과 같은 특정 전기광학 결정의 전기광학 효과를 이용하는 변조기입니다. 전기광학 효과란 전기광학 결정에 전압이 가해지면 결정의 굴절률이 변하여 결정 내 빛의 파동 특성이 변하고, 이를 통해 광 신호의 위상, 진폭, 강도 및 편광 상태를 변조하는 것을 말합니다.

그림: EOM 드라이버 회로의 일반적인 구성

3. 반도체 광 변조기/반도체 광 증폭기(SOM/SOA)

반도체 광 증폭기(SOA)는 일반적으로 광 신호 증폭에 사용되며, 소형화, 저전력 소비, 모든 대역 지원 등의 장점을 가지고 있어 EDFA와 같은 기존 광 증폭기를 대체할 미래의 대안으로 주목받고 있습니다.에르븀 도핑 광섬유 증폭기반도체 광 변조기(SOM)는 반도체 광 증폭기(SOA)와 동일한 소자이지만, 사용 방식이 기존의 SOA 증폭기와는 약간 다르며, 광 변조기로 사용될 때 중점적으로 다루는 지표 또한 증폭기로 사용될 때와 미묘하게 다릅니다. 광 신호 증폭에 사용될 때는 SOA가 선형 영역에서 동작하도록 안정적인 구동 전류를 공급하는 것이 일반적입니다. 광 펄스 변조에 사용될 때는 연속적인 광 신호를 SOA에 입력하여 전기 펄스로 SOA 구동 전류를 제어하고, 이를 통해 SOA 출력 상태를 증폭/감쇠 방식으로 제어합니다. SOA의 증폭 및 감쇠 특성을 활용한 이 변조 방식은 광섬유 센싱, LiDAR, OCT 의료 영상 등 다양한 분야에 점차 적용되고 있으며, 특히 높은 부피, 전력 소비 및 소멸비가 요구되는 시나리오에 적합합니다.

4. 레이저 직접 변조는 아래 그림과 같이 레이저 바이어스 전류를 직접 제어하여 광 신호를 변조할 수 있습니다. 직접 변조를 통해 3나노초 펄스 폭을 얻을 수 있습니다. 펄스 시작 부분에 스파이크가 나타나는데, 이는 레이저 캐리어의 이완 현상 때문입니다. 약 100피코초의 펄스 폭을 얻고자 할 때는 이 스파이크를 활용할 수 있지만, 일반적으로는 이 스파이크가 필요하지 않습니다.

요약하자면

AOM은 수 와트 수준의 광 출력에 적합하며 주파수 변이 기능을 제공합니다. EOM은 속도가 빠르지만 구동 방식이 복잡하고 소광비가 낮습니다. SOM(SOA)은 GHz 속도와 높은 소광비를 제공하며 저전력, 소형화 등의 장점을 지닌 최적의 솔루션입니다. 직접 레이저 다이오드는 가장 저렴한 솔루션이지만 스펙트럼 특성 변화에 유의해야 합니다. 각 변조 방식에는 장단점이 있으며, 적용 분야의 요구 사항을 정확히 파악하고 각 방식의 장단점을 숙지하여 가장 적합한 방식을 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 분산 광섬유 센싱 분야에서는 전통적인 AOM이 주를 이루지만, 최근 몇몇 새로운 시스템 설계에서는 SOA 방식의 사용이 급증하고 있습니다. 일부 풍력 LiDAR 시스템에서는 기존에 2단 AOM 방식을 사용했지만, 비용 절감, 소형화, 소광비 향상을 위해 SOA 방식을 채택하고 있습니다. 통신 시스템에서 저속 시스템은 일반적으로 직접 변조 방식을 채택하고, 고속 시스템은 일반적으로 전기광학 변조 방식을 사용합니다.